Napięcie powierzchniowe definiuje się jako siłę, działającą na jednostce długości na powierzchni cieczy. Inaczej napięcie powierzchniowe można określić jako pracę potrzebną do zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę w procesie przeniesienia na nią pewnej liczby cząsteczek z wnętrza fazy. Jeżeli proces ten zachodzi w stałej temperaturze, bez zmiany objętości fazy skondensowanej i w sposób quasi- statyczny, to wykonana praca będzie równa zmianie energii Helmholtza F układu. Pochodna tej funkcji względem powierzchni cieczy S jest miarą właściwej powierzchniowej energii swobodnej i stanowi termodynamiczną definicją napięcia powierzchniowego σ.

Jednym z rodzajów napięcia międzyfazowego jest napięcie występujące na granicy zatknięcia cieczy z ciałem stałym lub inną cieczą, przy założeniu niemieszalności obu cieczy. Wówczas napięcie międzyfazowe jest miarą sumy energii potrzebnej do przeniesienia na granice faz cząsteczek z wnętrza cieczy i energii wymaganej do analogicznego przeniesienia cząsteczek z wnętrza cieczy drugiej. Energia potencjalna cząsteczki znajdującej się na granicy dwu faz ciekłych jest mniejsza od energii cząsteczki zaadsorbowanej na granicy faz ciecz-gaz. W związku z tym napięcie powierzchniowe na granicy pomiędzy dwiema niemieszalnymi się cieczami jest z reguły znacznie niższe od sumy napięć powierzchniowych tych cieczy.

Napięcie powierzchniowe będące rezultatem oddziaływań międzycząsteczkowych maleje liniowo ze wzrostem temperatury.

Gdzie: σ_t - napięcie powierzchniowe w temperaturze t,

σ_t0 - napięcie powierzchniowe w t=0, a stała.

W rozważaniach nad budową cieczy operuje się dość często pojęciem molowej energii powierzchniowej Θ. Definiuje się ją jako energię powierzchniową 1 mola cieczy pod postacią kuli; zajmowana jest wówczas najmniejsza powierzchnia. Energia działa ta równolegle do powierzchni, przeciwstawiając się jej zwiększeniu. Molową energię powierzchniową można wyrazić za pomocą równania:

Gdzie: V_m -objętość molowa cieczy, określona poniższą zależnością:

W równaniu M oznacza masę cząsteczkową badanej substancji, zaś d jej gęstość.

(V_m)^2/3 jest powierzchnią utworzoną przez (N_A)^2/3 cząsteczek

Energia powierzchniowa obliczona w ten sposób dla różnych cieczy daje wartości porównywalne ze sobą, gdyż odnoszą się one do powierzchni obejmujących tę samą liczbę cząsteczek, a więc równoważnych sobie.

Molowa energia powierzchniowa maleje wraz ze wzrostem temperatury i zależność ta jest liniowa aż do temperatury bliskiej temperaturze krytycznej. Pochodna molowej energii powierzchniowej względem temperatury jest stała dla wszystkich cieczy i niezależna od temperatury

W pobliżu temperatury krytycznej T_k napicie powierzchniowe zanika. W temperatury około 6°C niższej od temperatury krytycznej wartość napięcia powierzchniowego spada do zera.

Zależność pomiędzy napięciem powierzchniowym i gęstością wykrył Baczyński:

Gdzie;

c - stała niezależna od temperatury, ściśle związana z naturą substancji,

d_c- gęstość cieczy,

d_p- gęstość pary.

Mnożąc masę cząsteczkową M danej substancji przez pierwiastek czwartego stopnia ze stałej c, otrzymuje się wielkość P, zwaną parachorą:

Pomijając d_p jako małą w porównaniu z d_c parachorę można wyrazić następująco:

Gdzie: V - objętość molowa cieczy

Parachora jest wielkością niezależną od temperatury i stałą dla danej substancji. Wykazuje właściwości addytywne. Parachorę cząsteczki można zatem wyznaczyć na podstawie wartości parachor poszczególnych atomów, wiązań ugrupowań atomowych.

Celem ćwiczenia jest zbadanie parachory kilku substancji organicznych: 1,4-dioksanu, octanu etylu, n-heptanu, w różnych temperaturach

Opracowanie pomiarów:

Obliczam h_mw i h_mx z równania:

Dla wody:

Dla octanu etylu:

Dla n-heptanu:

Obliczam napięcie powierzchniowe wody z zależności:

Obliczam gęstość cieczy w temperaturze pomiaru

Dla wody w temperaturach 15-35ºC z zależności:

Dla wody w temperaturach 35-55ºC z zależności:

Dla octanu etylu z zależności:

Dla n-heptanu z zależności:

Obliczam napięcie powierzchniowe badanych cieczy na podstawie równania:

podstawiając za gęstość cieczy manometrycznej d_m = 683,8 kgm^-3 i głębokość zanurzenia

kapilary h_rw = h_rx = 0,008 m

Dla octanu etylu:

Dla n heptanu:

Obliczam objętości molowe ze wzoru:

Dla octanu etylu:

Dla n heptanu:

Obliczam parachory badanych cieczy P_obl korzystając z zależności:

Dla octanu etylu:

Dla n heptanu:

Wykorzystując zasadę addytywności obliczam parachory badanych związków P_add na podstawie wartości parachor atomów i wiązań obecnych w cząsteczkach

Parachory P10⁴ [kg^1/4m³s^-1/2kmol^-1]:

Atomy: Rodzaje wiązań:

Wiązanie podwójne= 41,3

Dla octanu etylu:

Dla n heptanu:

woda	hmw [m]			Drw [kg m­^-3]			σw [Nm^-1]
		t1 20	t2 30	t3 40	t1 20	t2 30	t3 40	t1 20	t2 30	t3 40
		5,3747	5,2942	5,0929	901,08	995,664	992,199	0,07266	0,07103	0,0694

	Octan etylu Mcz= 88,11 kg kmol^-1			n-heptan Mcz = 100,2 kg kmol^-1
temperatura	20	30	40	20	30	40
hmx [m]	2,7377	2,6974	2,6572	2,1137	2,0331	1,9124
drx [kg m^-3]	901,08	888,5	875,92	684,1	675,33	666,56
σx [N m^-1]	0,03695	0,03613	0,03615	0,02853	0,02723	0,02601
V [m^3 kmol^-1]	0,0978	0,0992	0,1002	0,1464	0,1483	0,1503
Pobl [kg^1/4m^3s^-1/2kmol^-1	0,04287	0,04323	0,4386	0,06017	0,06025	0,06035
Padd [kg^1/4m^3s^-1/2kmol^-1	0,03897			0,05459

Wnioski:

Parachora jest wielkością niezależną od temperatury i stałą dla danej substancji. Na podstawie wyników doświadczenia można zauważyć, że dla obydwu substancji parachora jest wielkością stałą.Można zauważyć również, że parachory P_obl mają większą wartość niż parachory P_add w obydwu przypadkach.

---